6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1. Kênh cao tần RF
Đáp ứng kênh thông thường được biểu diễn theo thời gian trải trễ của kênh đa đường dẫn đến các đỉnh biên độ khác nhau, có độ trễ vượt so với kích thích kênh ban đầu xung, như minh họa trong hình 2.1. Mỗi đỉnh trễ tương ứng với một tín hiệu, khi bộ thu chuyển động, dịch chuyển Doppler khác nhau xuất hiện cho mỗi tín hiệu thu. Sự thay đổi Doppler trên mỗi thành phần đa đường riêng lẻ phụ thuộc vào góc tới so với hướng chuyển động xe. Hiệu ứng tích lũy của những dịch chuyển này được gọi là trải Doppler kênh. Các quy trình liên quan đến việc phân tích mức chênh lệch đó là sắp xếp một loạt các đáp ứng xung, chúng ở một khoảng thời gian trễ nhất định và sau đó thực hiện một phép biến đổi Fourier trên các mẫu. Kết quả chương trình phát sóng kênh được minh họa bằng cách biểu diễn ba chiều xung của nó phản ứng. Ảnh hưởng của sự lan truyền tín hiệu thu được cả về thời gian và tần số là được minh họa như biểu đồ tán xạ trong hình 2.2 và hình 2.3, trong đó xung kênh phản hồi được đưa ra trên một biểu đồ ba chiều của biên độ so với thời gian và tần số. Đây là một công cụ rất hữu ích để hình dung các tác động của xung quanh môi trường trên tín hiệu nhận được bởi máy thu di động.
0 Thời gian Côn g s u ấ t
Hình 2.2. Biểu đồ phân tán tại trung tâm thành phố lớn [29]
Hình 2.2 cho thấy biểu đồ tán xạ thu được trong khu trung tâm một thành phố lớn, sự thay đổi Doppler tối đa xảy ra của tần số vô tuyến và tốc độ xe. Về mặt chuẩn hóa thang tần số được thay đổi tối đa ở 1,5GHz là + 5Hz/m, tương ứng với sự thay đổi tối đa là 139Hz ở tốc độ cao thông thường là 100km/h. Trong khu vực đô thị lớn, biểu đồ phân tán có xu hướng giới hạn ở độ trễ nhỏ nhưng khá phức tạp do vô số tiếng vang. Do đó, sự tán xạ gần máy thu và tín hiệu phân tán đến từ nhiều góc độ khác nhau, lượng tin đến có xu hướng phân bố góc đồng đều, dẫn đến phổ Doppler hình chữ „„U‟‟. Ở độ trễ lớn hơn, các thành phần với sự dịch chuyển Doppler nhỏ có xu hướng biến mất. Các tín hiệu truyền bị chặn bởi các tòa nhà dọc theo đường phố. Phổ Doppler sau đó chia thành hai nhóm, một tương ứng với các thành phần tín hiệu đến từ hướng mà phương tiện đang di chuyển và phương tiện khác từ các bộ phận đến phía sau xe. Hình 2.3 cho thấy một biểu đồ tán xạ thu được trong khu trung tâm của một thành phố nhỏ, sự phân chia phổ Doppler thành hai nhóm cực đại hơn. Sơ đồ cho thấy sự phân chia tín hiệu mà xe đang di chuyển với các Doppler tối đa. Có một thành phần khá lớn có độ trễ vượt quá khoảng 5ms là do phản xạ từ một tòa nhà đặt khoảng 750m phía sau máy phát và tiếp cận máy thu từ phía sau. Hai số liệu này đều là kết quả của đáp ứng xung kênh liên tiếp cho quãng đường di chuyển khoảng 5m.
Trên các khu vực rộng lớn, khi các mức tín hiệu đã được tính trung bình để loại bỏ tín hiệu các biến thể trong ''các khu vực nhỏ'', thì hàm phân phối xác suất của công suất tín hiệu thu được trung bình có dạng chuẩn. Độ lệch tiêu chuẩn của sự thay đổi vị trí thấp hơn đáng kể so với hệ thống tương tự băng hẹp. Giá trị được chấp nhận rộng rãi cho độ lệch chuẩn đối với DAB là 5,5dB.
Hình 2.3. Biểu đồ phân tán tại trung tâm thành phố nhỏ [29] 2.2. Mô hình lan truyền
Các hàm phân phối xác suất liên quan đến việc thu các tín hiệu DAB được tìm thấy tương ứng với một số mô hình phân phối thống kê liên quan đến môi trường cụ thể. Các mô hình phân phối này thường khác nhau đó là ''khu vực nhỏ'' và ''khu vực lớn''.
2.2.1. Phân bố khu vực nhỏ
Kết quả tại Hoa Kỳ và các nước Châu Âu đã đo được tín hiệu dải hẹp hoặc tín hiệu CW ở khu vực nhỏ của tín hiệu thu được mô hình hóa bằng phân phối Rician (vectơ không đổi cộng vectơ phân tán Rayleigh). Các nhà nghiên cứu Mỹ và Châu Âu kết luận hàm mật độ xác suất của công suất thu được phải kết hợp log-bình thường, phân phối Rayleigh để tính đến cả các biến thể diện tích lớn, các biến thể diện tích nhỏ. Sự phân bố các giá trị tức thời trong một vùng nhỏ là thu được bằng cách xem xét một biến Rice hoặc Rayleigh có giá trị trung bình của chính nó là biến ngẫu nhiên có phân phối cường độ trường tương
đối được thể hiện dưới dạng hàm của vị trí máy thu dọc theo phép đo lộ trình. Do đa đường gây ra fading nhanh và rất sâu, trong khi một sự thay đổi chậm của đường bao tín hiệu trong ô diện tích lớn trong hình 2.4 cho thấy sự hiện diện của bóng do nhà cao tầng. Chế độ xem phóng đại của tín hiệu thu được như một chức năng của vị trí, được trình bày dưới dạng diện tích nhỏ, do đó đa đường gây ra các biến thể tín hiệu lớn do tín hiệu giữa các thành phần tín hiệu phân tán khác nhau. Biến thể này của cường độ trường tín hiệu kết quả thường tương ứng với phân bố Rayleigh. Các hàm phân phối tích lũy tương ứng (CDF) của các mức tín hiệu đo được trình bày ở phía bên phải của các hình. Do sử dụng thời gian xen kẽ bởi DAB những biến thiên quy mô nhỏ này sẽ không ảnh hưởng đến việc tiếp nhận trong xe chuyển động với tốc độ đủ lớn.
2.2.2. Ảnh hưởng của băng thông kênh
Ảnh hưởng của băng thông tín hiệu truyền đến sự thay đổi của tín hiệu thu được bằng cách so sánh hình 2.4 và hình 2.5. Từ những số liệu này, mức của tín hiệu băng thông 1,47MHz trong hình 2.5 thể hiện fading đa đường ít hơn so với tín hiệu CW (Control Word) từ hình 2.4 và hàm phân bố tích lũy CDF (Cumulative Distribution Function) của tín hiệu băng rộng xấp xỉ với Gauss CDF tham chiếu hơn, do năng lượng được tích hợp trên băng thông 1,47MHz. Do đó lấy ra trung bình hầu hết các tần số sắc nét giảm dần chọn lọc xảy ra trong các khu vực nhỏ. Ở giới hạn, trung bình như vậy sẽ có tác dụng tương tự như tính trung bình trên một khu vực nhỏ loại bỏ phần Rayleigh của mô hình truyền kênh kết hợp. Thông thường, giá trị trung bình của việc làm fading tần số diện tích nhỏ này không thể được thực hiện bởi vì hệ thống truyền dẫn sẽ bị mất dần các dải tần hẹp này, nhưng hệ thống Eureka 147/DAB có lợi thế là đã được thiết kế để hoạt động khá tốt trong môi trường đa đường. Miễn là tín hiệu vang vọng nằm trong khoảng thời gian bảo vệ biểu tượng, giả định tích hợp sức mạnh bên trong băng thông kênh, lấy trung bình tần số sắc nét làm fading chọn lọc, là xấp xỉ hữu ích, mặc dù các cơ chế cơ bản (mã hóa kênh và xen kẽ) phải được xem xét chi tiết để phân tích chính xác. Thực tế, DAB tiếp nhận trong một môi trường fadingRayleigh bị tăng ngưỡng rõ ràng C/N khoảng 2dB đối với điều chế QPSK
so với kênh Gauss ở trong môi trường Rayleigh, số lượng, mức độ tương đối của tiếng vang trở thành không liên quan. Dựa trên giả định này, một phép đo trường thực tế đã được tiến hành để mô tả độ nhạy của sự thay đổi tín hiệu nhận được như một hàm của băng thông kênh. Hình 2.6 cho thấy biên độ fading của nhiều đường tăng lên khi kênh băng thông được tăng từ 100kHz lên 5MHz trong môi trường đô thị dày đặc. Các biên độ fading được hiểu là khả năng tiết kiệm điện năng truyền tải so với cần thiết cho hệ thống băng thông kênh 100kHz, cho một dịch vụ tương đương mục tiêu sẵn có. Hình 2.6 cũng cho thấy đối với các mục tiêu cung cấp dịch vụ thấp hơn 50%, cải thiện biên độ fading vẫn theo thứ tự 1,5dB trong một khu vực đô thị đông đúc. Cải thiện đáng kể được quan sát đối với các mục tiêu về khả năng cung cấp dịch vụ là 90% hoặc lớn hơn. Mỗi đường cong được chia thành hai phần, phần đầu tiên là từ 100kHz đến giá trị băng thông tương ứng với đầu trong đường cong, một phần từ vị trí đầu đến giá trị băng thông 5MHz như vị trí của đầu trên các đường cong nằm trong khoảng từ 1 đến 2MHz, xác nhận tính hợp lệ của việc lựa chọn băng thông 1,5MHz cho hệ thống DAB. Dưới 1MHz, sự fading đa đường tăng đột ngột trong khi trên 2MHz, cải thiện biên độ fading nói chung là không đáng kể. Điều này cũng có nghĩa là hầu hết các vùng nhỏ fading Rayleigh bị loại bỏ khi băng thông kênh của hơn khoảng 1MHz được sử dụng kết hợp với điều chế DAB.
Hình 2.5. Sự biến thiên tín hiệu (dB) với hàm phân phối tích lũy tƣơng ứng của tín hiệu 1,47 MHz [28]
2.2.3. Mô hình lan truyền đơn giản hệ thống DAB
Hoạt động của hệ thống DAB trong môi trường đa đường khoảng 2dB, giả định rằng hiệu suất của việc thu DAB sẽ tương ứng với cường độ trường trung bình được tìm thấy trên ''khu vực nhỏ''. Hiệu suất thu của hệ thống DAB được mô hình hóa theo mô hình log-normal ''diện tích lớn'' đơn giản hơn, mô hình log- normal được ITU-R sử dụng để dự đoán truyền „„diện rộng‟‟ bị mất. Mô hình dự đoán ITU-R ban đầu ITU-R P.370 [17] được mở rộng bao gồm trường hợp tiếp nhận phương tiện. Giảm chiều cao ăngten thu dẫn đến hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào khoảng cách từ máy phát và hệ số hiệu chỉnh khoảng 1 đến 2dB từ các đường cong 600MHz, các hiệu chỉnh đã được trong phiên bản mới nhất của mô hình [18]. Để tính toán cường độ trường của tín hiệu truyền thanh số, đặc biệt là ở các vùng nông thôn, phương pháp dự báo lan truyền được sử dụng. Trong các khu vực đã xây dựng, phương pháp đưa ra cũng thích hợp, cho thấy sự đồng tình chặt chẽ với mô hình nhân giống Okumura/Hata [16, 13]. Tuy nhiên, một mô hình dựa trên thông tin bao phủ địa hình chính xác hơn.
Hình 2.6. Cải thiện biên độ fading đa đƣờng, môi trƣờng đô thị dày đặc [28]
Hình 2.7. So sánh dữ liệu đo đƣợc với mô hình ITU-R P.370 và đƣờng cong suy hao trong không gian tự do(e.i.r.p. = 41,1 dB (W), HAAT = 235,5 m)[28]
Hình 2.8. So sánh dữ liệu đo đƣợc với các mô hình Okumura (e.i.r.p. = 41,1 dB (W), HAAT = 235,5 m) [28]
Tính hợp lệ của các mô hình này được minh họa bằng hình 2.7 và hình 2.8 so sánh kết quả ở tốc độ 1,5GHz trong khu vực Montreal với các mô hình này cho công suất bức xạ theo hướng hiệu quả nhất định (e.i.r.p) và độ cao trên địa hình trung bình HAAT (Height Above Average Terain). Phạm vi hiệu lực của mô hình lan truyền log-normal đơn giản hóa này được xác định là một chức năng của kiểu đa đường ở máy thu. Nếu có một số tín hiệu dội lại nằm ngoài phạm vi được điều chỉnh bởi bộ thu DAB, cần phải sử dụng mô hình phức tạp hơn gồm việc fading „„các khu vực nhỏ‟‟ cục bộ xảy ra trong ba trường hợp:
1) Các phản xạ vi mô với độ trễ vượt quá bên dưới về sự tương hỗ của DAB băng thông kênh sẽ dẫn đến fading rõ ràng trên kênh. Nếu bên thu không di chuyển để tận dụng thời gian xen kẽ, dẫn đến mất dịch vụ. Điều này sẽ không được dự đoán bởi mô hình log-normal, chủ yếu xảy ra trong trường hợp các tòa nhà lớn có khoảng cách gần nhau và với các điều kiện tiếp nhận trong nhà vì sự khác biệt vật lý của các đường dẫn tín hiệu cần phải nhỏ (dưới 200m). Do đó, sẽ bổ sung cho mô hình lognormal nhưng không phải là điển hình của việc tiếp nhận vùng ngoại ô và nông thôn.
2) Phản xạ đa đường nằm ngoài khoảng bảo vệ biểu tượng và tạo ra sự nhiễu giữa các tín hiệu giao thoa. Hiệu suất tiếp nhận sẽ nhanh chóng bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp nội bộ hệ thống này làm giảm tính khả dụng của dịch vụ. 3) Nếu vận tốc xe cao hơn khuyến nghị đối với chế độ truyền DAB và tần số sóng mang đã cho, trải Doppler sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của việc tiếp nhận DAB, tín hiệu sẽ fading bổ sung vào mô hình log-normal.
Mặc dù mô hình dự đoán ITU-R được chấp nhận rộng rãi, nhưng được ưu tiên để tăng cường với các phương pháp dự đoán chính xác hơn dựa trên cơ sở dữ liệu địa hình [26, 25, 30]. Theo cách này, hệ thống DAB được điều chỉnh chính xác hơn cho khu vực dịch vụ nhất định được xây dựng và cụ thể, dự đoán được nhu cầu, chẳng hạn như bộ lặp để bao phủ các khu vực khó tiếp cận.
2.3. Giới thiệu về mạng đơn tần SFN
2.3.1. SFN được sử dụng trong DAB
Máy phát FM đều được sử dụng một tần số khác nhau để tránh nhiễu tín hiệu, vùng phủ sóng của các máy phát đều khác nhau. Máy thu FM cơ bản không thể đối phó với các tín hiệu gây nhiễu từ các máy phát khác của cùng một mạng sử dụng cùng tần số hoặc gần đó, để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên khan hiếm của tần số RF. Ngược lại, DAB sử dụng mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network) các máy phát của mạng truyền chính xác cùng một thông tin trên cùng một tần số. Điều kiện chính để SFN hoạt động là tất cả các máy phát được đồng bộ hóa với nhau về tần số đáp ứng các yêu cầu về độ trễ thời gian nhất định. SFN trong DAB cho phép phủ sóng ở khu vực rất lớn mà bên thu không cần phải điều chỉnh tần số khác. Trái với truyền thanh FM, AM thì DAB thường truyền từ năm đến bảy chương trình khác nhau trong một nhóm duy nhất trên một tần số và tất cả các chương trình có trong bộ ghép kênh đó chia sẻ cùng một vùng phủ sóng. Do đó, không thể phân biệt theo vùng phủ sóng đối với các đài phát thanh có các chương trình chia sẻ cùng một bộ ghép kênh.
DAB là một hệ thống truyền thanh số, có các đặc tính truyền dẫn, các hiện tượng điển hình như sự dịch chuyển Doppler và lan truyền đa đường với thời gian, tần số khác nhau. Để đối phó với những vấn đề này, khoảng thời gian bảo vệ đã được đưa ra giữa các ký hiệu dữ liệu liên tiếp, các kỹ thuật xen kẽ thời gian và tần số được áp dụng cho dòng dữ liệu, lựa chọn khoảng cách sóng mang phụ trong sơ đồ điều chế đa sóng mang được áp dụng và các kỹ thuật mã hóa kênh được áp dụng để sửa đối với lỗi đường truyền. Hệ thống DAB là một hệ thống truyền dẫn rất tốt, tiết kiệm tần số, giải mã thông tin chính xác. Hiệu ứng của việc tiếp nhận đa đường được mô tả bằng đồ thị trong hình 2.9. Cả tín hiệu trực tiếp từ máy phát, tín hiệu phản xạ đều đến ăng-ten của một máy thu. Tất cả các tín hiệu chứa thông tin giống hệt nhau nhưng đến các bộ thu trong thời gian khác nhau. Nhờ các biện pháp được mô tả trước đó, bộ thu DAB đối phó với các tín hiệu đa đường. Ngày nay máy thu không còn thích hợp cho dù các tín hiệu bị trễ được bắt nguồn từ cùng một máy phát hay đến từ một máy phát khác truyền chính xác cùng một thông tin được đồng bộ trong thời gian như thể hiện trong phần thứ hai của hình 2.9. DAB cho phép phủ sóng ở bất kỳ khu vực nào với
một số máy phát truyền chương trình giống hệt nhau trên cùng một tần số, các mạng quảng bá như vậy được gọi là mạng đơn tần SFN. SFN của mạng truyền dẫn DAB được coi là một lợi ích trong quá trình phát triển DAB để đối phó với các hiện tượng đa đường đặc trưng của thu sóng vô tuyến.